ธรรมชาตของคลนสงตางๆ ในธรรมชาตแบงเปน 2 ประเภท คอ สสารและพลงงาน และเมอสง

ใดกตามมการยายทอยจากตำาแหนงหนงไปยงอกตำาแหนงหนงเราบอกสงนนวามการเคลอนท การทวตถถกรบกวนจนทำาใหวตถเกดการเปลยนสภาพการเคลอนทแบบสนกลบไปกลบมาและการรบกวนนจะถกถายทอดสงตอไปยงจดถดไปอยางตอเนอง ทำาใหจดถดไปเกดการสนกลบไปกลบมาตามไปดวย แลวสงการรบกวนนตอไปอกทำาใหเกดการแผกระจายของการรบกวนออกไปโดยอาศยตวกลางเชนน เราเรยกวา การเคลอนทของคลน

คลนเกดจากการสงตอพลงงานของอนภาคตวกลางจากอนภาคหนงไปยงอนภาคทอยขางเคยง ขณะทเกดคลนขนทกอนภาคบน ตวกลางกจะสนกลบมารอบตำาแหนงสมดลโดยไมมการเคลอนทตามคลนไป ลกษณะคลนแบบนเรยกวา คลนกล (mechanical waves) เชนเมอมการรบกวนบนผวนำานงโดยการโยนกอนหนลงไปในสระ อนภาคของนำาจะสนขนและลงรอบตำาแหนงสมดล ทำาให เกดเปนคลนขน โดยคลนจะแผจากตำาแหนงทกอนหนกระทบผวนำาออกไปรอบ ๆ ตำาแหนงนนทกทศทางเปนรปวงกลม ตดตอกนไป

คลน (wave) หมายถง ลกษณะของการถกรบกวน ทมการแผกระจาย เคลอนทออกไป ในลกษณะของการกวดแกวง หรอกระเพอม ซงทำาใหมการแผหรอถายโอนพลงงานจากการสนสะเทอนไปยงจดอนๆ โดยทตวกลางนนไมมการเคลอนทไปกบคลน

รปแสดงการแผพลงงานของคลน รปแสดง

ลกษณะการเคลอนทของวตถทอยบนผวนำา ขณะคลนเคลอนทผานชนดของคลน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 1

1.   จำาแนกตามลกษณะการอาศยตวกลาง2.   จำาแนกตามลกษณะการเคลอนท3.   จำาแนกตามลกษณะการเกดคลน1. จำาแนกตามลกษณะการอาศยตวกลาง

1.1   คลนกล (Mechanical wave)   เปนคลนทเคลอนทโดยอาศยตวกลางซงอาจเปนของแขง ของเหลว หรอกาซกได ตวอยางของคลนกลไดแก คลนเสยง คลนทผวนำา คลนในเสนเชอก เปนตน

1.2    คลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic waves)   เปนคลนทเคลอนทโดยไมอาศยตวกลาง สามารถเคลอนทในสญญากาศได เชน คลนแสง คลนวทยและโทรทศน คลนไมโครเวฟ รงสเอกซ รงสแกมมา เปนตน2.   จำาแนกตามลกษณะการเคลอนท

2.1   คลนตามขวาง (Transverse wave)   เปนคลนทอนภาคของตวกลางเคลอนทในทศตงฉากกบทศการเคลอนทของคลน ตวอยางของคลนตามขวางไดแก คลนนงในเสนเชอก คลนแมเหลกไฟฟา คลนนำา

2.2   คลนตามยาว (Longitudinal wave)   เปนคลนทอนภาคของตวกลางเคลอนทไปมาในแนวเดยวกบทศการเคลอนทของคลน ตวอยางของคลนตามยาวไดแก คลนเสยง คลนในขดลวดสปรง3.   จำาแนกตามลกษณะการเกดคลน

3.1   คลนดล (Pulse wave)   เปนคลนทเกดจากแหลงกำาเนดถกรบกวนเพยงครงเดยว

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 2

3.2   คลนตอเนอง (Continuous wave)   เปนคลนทเกดจากแหลงกำาเนดถกรบกวนเปนจงหวะตอเนองลกษณะทางกายภาพของคลน

สวนประกอบของคลนระยะทาง(Distance) หมายถง ระยะตามเสนทางทงหมดทอนภาคมการ

เคลอนทจรง โดยวดจากจดเรมตนไปตามแนวการเคลอนทจนถงจดสดทาย เปนปรมาณสเกลาร มหนวยเปน เมตร (m)

การกระจด (Dispacement) ของอนภาคตวกลาง หมายถง ระยะตงฉากทวดจากตำาแหนงสมดลไปยงจดทอนภาคมการกระเพอมขนมเครองหมายเปนบวก (+) และอนภาคมการกระเพอมลงมเครองหมายเปนลบ(-)

แอมพลจด (Amplitude)   เปนระยะการกระจดมากสด ทงคาบวกและคาลบ หรอ อาจกลาวไดวาแอมพลจด

คอ ตำาแหนงทมการกระเพอมของคลนขนไปไดสงสด (+) หรอตำาแหนงทมการกระเพอมของคลนลงไปไดตำาสด (-)ความแตกตางของ ระยะทางของคลนกบการกระจดของอนภาค

ระยะทางของคลน คอ ระยะตามเสนทางทอนภาคเคลอนทไปไดจรง สวนการกระจด คอ ระยะตงฉากทวดจากแนวสมดลไปยงจดทอนภาคมการกระเพอมขนหรอลง

สนคลน (Crest)   เปนตำาแหนงสงสดของคลน หรอเปนตำาแหนงทมการกระจดสงสดในทางบวกทองคลน (Trough)   เปนตำาแหนงตำาสดของคลน หรอเปนตำาแหนงทมการกระจดสงสดในทางลบ

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 3

ความยาวคลน (wavelength)   เปนความยาวของคลนหนงลกมคาเทากบระยะระหวางสนคลนหรอทองคลนทอยถดกน ความยาวคลนแทนดวยสญลกษณ λ มหนวยเปนเมตร (m) เชน จากจด C ถง C/ หรอจากจด D ถง D/

ลกษณะทเหมอนกน เรยกวา มเฟสตรงกน (inphase)เฟส(Phase)ของคลน คอ การบอกหรอการเรยกตำาแหนงตางๆ บนคลน

โดยมความสมพนธกบการกระจดของอนภาคในตวกลาง ซงเทยบกบการเคลอนทแบบวงกลม นยมบอกเปนคามมในหนวยองศา หรอ เรเดยน

θ คอ มมหรอ เฟส (เปรยบเทยบกบการเคลอนทแบบวงกลม ; π เรเดยน = 180˚, 2π เรเดยน = 360˚) โดยปกต การนบเฟสอาจนบแบบตอเนองไปเรอยๆ เชน 1 รอบ , 2 รอบ หรอจะเรมนบใหมทกครงทครบรอบกได

เฟสตรงกน(inphase) หมายถง ตำาแหนงใดๆ ทมทศการสนไปทางเดยวกนและมการกระจดเทากน(ขนาดการกระจดเทากนและทศการสนไปทางเดยวกน)

ขณะทคลนเคลอนทผานตวกลาง พลงงานของคลนจะทำาใหตวกลางสนกลบไปกลบมา โดยมทศการสนและการกระจดเปลยนแปลงตลอดเวลา (อนภาคตวกลางสนแบซมเปลฮารโมนก) ดงภาพ

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 4

1. เฟสตรงกน อาจเรยกอกอยางหนงวาเฟสเดยวกน(แตคนละเวลา) หรอความตางเฟสคงท

2. จากภาพ O, A, B มเฟสตรงกน, C, D, E มเฟสตรงกน และ F, G มเฟสตรงกน

Note เฟสตรงกน : จดใดๆ ทมเฟสตรงกนจะม1. ทศการสนไปทางเดยวกนและมการกระจดเทากน2. ระยะทางตางกนเทากบ λ, 2λ, 3λ,..nλ

n คอ เลขจำานวนเตม 1, 2, 3,…….λ คอ ความยาวคลน

3. เวลาตางกนเทากบ T, 2T, 3T,…nTn คอ เลขจำานวนเตม 1, 2, 3,.......T คอ คาบเวลา

4. มมตางกนเทากบ 2π, 4π, 6π,…n(2π)n คอ เลขจำานวนเตม 1, 2, 3,.......π เรเดยน = 180˚ และ 2π เรเดยน = 360˚

เฟสตรงขาม(out of phase) หมายถง ตำาแหนงใดๆ ทมทศการสนตรงขามกน และมขนาดการกระจดเทากน(ขนาดการกระจดเทากนและทศการสนตรงขามกน)

ขณะทคลนเคลอนทผานตวกลาง พลงงานของคลนจะทำาใหตวกลางสนกลบไปกลบมา โดยมทศการสนและการกระจดเปลยนแปลงตลอดเวลา (อนภาคตวกลางสนแบซมเปลฮารโมนก) ดงภาพ

จากภาพ A, B มเฟสตรงขามกนC, D มเฟสตรงขามกน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 5

E, F มเฟสตรงขามกนNote เฟสตรงขามกน : จดใดๆ ทมเฟสตรงขามกนจะม

1. ทศการสนตรงขามกนและมขนาดการกระจดเทากน2. ระยะทางตางกนเทากบ λ2 , 3 λ

2, 5 λ

2,…,(n−1

2 ) λn คอ เลขจำานวนเตม 1, 2, 3,…….λ คอ ความยาวคลน

3. เวลาตางกนเทากบ T2 , 3T2

, 5T2

,…,(n−12 )T

n คอ เลขจำานวนเตม 1, 2, 3,.......T คอ คาบเวลา

4. มมตางกนเทากบ π ,3 π ,5π ,…,(n−12 )π

n คอ เลขจำานวนเตม 1, 2, 3,.......π เรเดยน = 180˚ และ 2π เรเดยน = 360˚

เฟสตางกน หมายถง เฟสใดๆ ทเฟสไมตรงกน และไมตรงขามกน ดงภาพ

จากภาพ X, Y, Z มเฟสตางกนสตรคำานวณความตางเฟสระหวางจดสองจด

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 6

1. θ2−θ1=2π ∆ x

λ , λ= vf เมอรระยะทาง

2. θ2−θ1=2π ∆ tT , T=1

f เมอรเวลาในทางคำานวณ เราสามารถแกปญหาโดยใชโจทยคำานวณไดโดยวธการเทยบ

บญญตไตรยางศ เชน1. ระยะหางกน λ มมจะตางกนเทากบ 2π rad

ระยะหางกน Δx มมจะตางกนเทากบ 2π ∆ xλ rad

2. เวลาตางกน T มมจะตางกนเทากบ 2π radเวลาตางกน Δt มมจะตางกนเทากบ 2π ∆ t

T rad อตราเรวคลน(speed) หรออตราเรวเฟส คอ ระยะทางทคลนเดน

ทางในตวกลางในหนงหนวยเวลา มหนวยเปนเมตรตอวนาท (m/s) อ ตราเร วคล น(V )=

ระยะทางท คล นเคล อนท (s)เวลา(t)

ความถ (frequency)   หมายถง จำานวนลกคลนทเคลอนทผานตำาแหนงใด ๆ ในหนงหนวยเวลา แทนดวยสญลกษณ f มหนวยเปนรอบตอวนาท (s-1) หรอ เฮรตซ (Hz) คาบ (period)   หมายถง คอ เวลาทคลนเคลอนทไปได 1 ลกคลน หรอเวลาทอนภาคในตวกลางสนขนลงได 1 รอบ มหนวยเปนวนาท (S)

ความสมพนธระหวางคาบ (T), ความถ (f) อตราเรว(v) และความยาวคลน(λ)

*ความสมพนธระหวาง คาบ (T) กบ ความถ (f)* เวลา T วนาท เกดคลน 1 ลกเวลา 1 วนาท เกดคลน 1/T ลก

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 7

จำานวนลกคลนใน 1 วนาท น เรยกวา ความถ

ดงนน

*ความสมพนธระหวางความถ (f) อตราเรว(v) และความยาวคลน(λ)*คลน 1 ลก ยาวเทากบ λคลน f ลก ยาวเทากบ λfคลน f ลก เกดใน 1 วนาท มความยาวเทากบ λfและระยะทางทคลนวงใน 1 วนาท เรยกความเรว (V)

ดงนน

จากสมการ V = λf คาความเรวของคลนจะขนอยกบชนดของตวกลางไมขนกบความถ ดงนน หากคลนเกดขนในตวกลางชนดเดม แมวาจะเปลยนความถของแหลงกำาเนดเทาใดกตาม จะทำาใหความยาวคลนเปลยนแปลงไปเทานน โดยมอตราเรวคลนเทาเดม คณสมบตของคลน (Wave Properties)

คลนทกชนดแสดงสมบต 4 อยาง คอ การสะทอน การหกเห การแทรกสอด และการเลยวเบน

1. การสะทอน (reflection) เกดจากคลนเคลอนทไปกระทบสงกดขวาง แลวเปลยนทศทางกลบสตวกลางเดม

2. การหกเห (refraction) เกดจากคลนเคลอนทผานตวกลางทตางกน แลวทำาใหอตราเรวเปลยนไป

3. การแทรกสอด (interference) เกดจากคลนสองขบวนทเหมอนกนทกประการเคลอนทมาพบกน แลวเกดการซอนทบกน ถาเปนคลนแสงจะเหนแถบมดและแถบสวางสลบกน สวนคลนเสยงจะไดยนเสยงดงเสยงคอยสลบกน

4. การเลยวเบน (diffraction) เกดจากคลนเคลอนทไปพบสงกดขวาง ทำาใหคลนสวนหนงออมบรเวณของสงกดขวางแผไปทางดานหลงของสงกดขวางนน 1. การสะทอน (reflection)  

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 8

f = 1T

v = fλ

เกดจากคลนเคลอนทไปกระทบสงกดขวาง แลวเปลยนทศทางกลบสตวกลางเดม เชน การสะทอนของคลนในเสนเชอกปลายตรง ดงภาพ กลาวคอ คลนทสะทอนกลบจะมเฟสตรงขามกนกบคลนตกกระทบ

การสะทอนของคลนในเสนเชอก ปลายอสระ ดงภาพ

กลาวคอคลนสะทอนจะมเฟสตรงกนกบคลนตกกระทบ

กฏการสะทอนของคลน

1. รงสตกกระทบ รงสสะทอน และเสนแนวฉากหรอเสนปกต (Normal Line) ตองอยรวมระนาบเดยวกน 2. มมตกกระทบ(θ1) เทากบ มมสะทอน(θ2) กลาวคอ ณ ตำาแหนงทคลนตกกระทบ มมจะตองวดจากเสนปกตไปยงทศทางการเคลอนทของคลนเทานน

2. การหกเห (refraction)  ในทนเราสามารถแยกพจารณาการหกเหของคลนนำาไดเปน 2 กรณ ดงตอ

ไปนกรณท 1 คลนนำาหนาตรงวงผานรอยตอตวกลางในทศตงฉากกบรอยตอตวกลาง ดงภาพ

ในกรณน เมอคลนนำาเคลอนทจากบรเวณนำาลกเขาไปยงบรเวณนำาตน โดยทศการเคลอนทของคลนตกกระทบ ตงฉากกบรอยตอและหนาคลนขนานกบรอยตอ พบวา ความยาวคลนจะเปลยนไป แตทศการเคลอนทของคลนจะไมเปลยน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 9

หรออาจกลาวอกนยหนงไดวา สำาหรบคลนนำาตอเนองทมความถ (f) ไมวาจะวงจากนำาตนไปนำาลก หรอ

นำาลกไปนำาตนกตามจะพบวา ความยาวคลนบรเวณนำาลก (λ ล) จะยาวกวาความยาวคลนบรเวณนำาตน (λ ต) เนองจากความถ (f) เทากน ดงนน λ ล f > λ ต f นนคอ V ล > V ต

กรณท 2 คลนนำาหนาตรงวงผานรอยตอตวกลางในทศทางทไมตงฉากกบรอยตอตวกลาง ดงภาพ

ในกรณน เมอคลนนำาเคลอนทจากบรเวณนำาลกเขาไปยงบรเวณนำาตน โดยทศการเคลอนทของคลนตกกระทบไมตงฉากกบรอยตอ พบวา ความยาวคลนเปลยนไปและทศการเคลอนทของคลนจะเปลยนไปดวย

แมวาคลนจะวงผานไปสตวกลางใหมแลว แตความถของคลนยงคงเดมกฎของสเนลล กลาววา

“คาอตราสวนของ sine ของมมตกกระทบตอ sine ของมมหกเหมคาเทากบดชนหกเหของวตถ ”หาดชนการหกเหไดจากกฎของสเนลล

1n2 ¿sinθ1

sinθ2=λ1

λ2=V 1

V 2

ลกษณะของการหกเหม 2 ลกษณะ คอ การหกเหของคลนแบบเบนเขา และการหกเหของคลน

แบบเบนออก

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 10

เสนปกต เสนปกต

θ1 θ1 (นำาลก) รอยตอตวกลาง (นำาตน) (นำาตน) (นำาลก) θ2 θ2

การหกเหแบบเบนเขาหาเสนปกต การหกเหแบบเบนออกจากเสนปกต

มมวกฤต (Critical angle)เมอคลนนำาเคลอนทจากตวกลางนำาตนเขาสตวกลางนำาลก จะทำาใหทศคลนเบนออกจากเสนปกต ถามมหกเหของคลนหกเหเทากบ 90 องศา มมตกกระทบของคลนตกกระทบนเรยกวา มมวกฤต และถาคลนตกกระทบทำามมโตกวามมวกฤต จะเกดคลนสะทอนขน เรยกวา การสะทอน

กลบหมด

3. การแทรกสอด (Interference)เกดจากคลนสองขบวนทเหมอนกนทกประการเคลอนทมาพบกน แลวเกด

การซอนทบกน ถาเปนคลนแสงจะเหนแถบมดและแถบสวางสลบกน สวนคลนเสยงจะไดยนเสยงดงเสยงคอยสลบกน

การแทรกสอดของคลน คอ การรวมกนของคลนตอเนองสองแหลงมาพบกนในตวกลางเดยวกน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 11

แหลงกำาเนดคลนอาพนธ(Coherent Source) คอ แหลงกำาเนดคลนทมแอมพลจด , ความถ , และความเรวเทากน ซงมเฟสตรงกนหรอตางกน อยางคงตว

การแทรกสอดมได 2 แบบ คอ

ภาพแสดงลกษณะการแทรกสอดแบบเสรม

และแบบหกลางกน

1. การแทรกสอดแบบเสรมกน (construstive interference) การแทรกสอดแบบเสรมกนนนเกดขนเมอสนคลนกบสนคลนเคลอนทมาตรงกน และทองคลนกบทองคลนเคลอนทมาตรงกน คลนลพธทเกดขน จะมสนคลนสงกวาเดม และมทองคลนลกกวาเดม เราเรยกกรณแบบนวา เกดการแทรกสอดแบบเสรมกน

ดงนน อาจกลาวไดวา ตำาแหนงทนำากระเพอมมากทสดหรอมการกระจดมากทสด เราเรยกตำาแหนงทมการกระเพอมมากสดวา ปฏบพ ดงภาพดานลาง

คลนจะแทรกสอดแบบเสรมกน นนคอ สนคลนจะซอนทบกบสนคลน และทองคลนจะซอนทบกบทองคลนพอด ดงนน ผลตางระหวางระยะทางจากแหลงกำาเนดคลนทงสองไปยงจดใดๆ บนเสนปฏบพจะเทากบจำานวนเตมของความยาวคลนเสมอ

ภาพแสดง จดทเกดการแทรกสอดแบบเสรมและแบบหกลางกน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 12

2. การแทรกสอดแบบหกลางกน (Destructive interference) การแทรกสอดแบบหกลางกนนนเกดขนเมอสนคลนกบทองคลนเคลอนทมาตรงกน และทองคลนกบสนคลนเคลอนทมาตรงกน คลนลพธทเกดขน จะมสนคลนตำากวาเดม และมทองคลนตนกวาเดม เราเรยกกรณแบบนวา การแทรกสอดแบบหกลางกน

ดงนน อาจกลาวไดวา ตำาแหนงทนำาไมเกดการกระเพอมหรอมการกระจดของผวนำาเปนศนย เราเรยกวาตำาแหนง บพ ดงภาพดานบน

คลนแทรกสอดแบบหกลาง นนคอ สนคลนจะซอนทบกบทองคลนพอด ดงนน ผลตางระหวางระยะทางจากแหลงกำาเนดคลนทงสองไปยงจดใดๆ บนแนวเสนบพจะเทากบจำานวนเตมคลนบวกกบครงหนงของความยาวคลนเสมอ4. การเลยวเบน (diffraction)

เกดจากคลนเคลอนทไปพบสงกดขวาง ทำาใหคลนสวนหนงออมบรเวณของสงกดขวางแผไปทางดานหลงของสงกดขวางนน

เมอคลนนำาหนาตรงพบกบสงกดขวาง จะมคลนบางสวนสะทอนกลบไป คลนบางสวนทไมพบสงกดขวางกจะเคลอนทผานชองนนออกมา และพบวามคลนบางสวนเคลอนทเลยวเบนมาทางดานหลงของสงกดขวางนนได เราเรยกปรากฏการณนวา การเลยวเบนของคลน

หลกการของฮอยเกนส(Huygens)แตละจด บนหนาคลน สามารถถอไดวา เปนแหลงกำาเนดของคลนใหมททำาให

กำาเกดคลนวงกลม ซงเคลอนทออกไปทกทศทาง ดวยอตราเรวเทากบอตราเรวของคลนเดมนน ดงภาพ

จากการทดลองพบวา เมอใหคลนตอเนองเสนตรงความยาวคลนคงตวเคลอนทผานสงกดขวางทมลกษณะเปนชองเปดทเรยกวา สลต (slit) การเลยว

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 13

เบนจะแตกตางกนโดยลกษณะคลนทเลยวเบนผานไปไดจะขนอยกบความกวางของสลต เมอเกดการเลยวเบนสามารถทำาใหเกดการแทรกสอดของคลนได

คลนเสยงธรรมชาตของเสยงและการไดยน

เสยง เปนคลนกลทใชอากาศเปนพาหะ เกดจากการสนสะเทอน(Vibrations) ของวตถ เราสามารถทำาใหวตถสนดวยวธการ ดด ส ตและเปา เมอวตถสนสะเทอน กจะทำาใหเกดการอดตวและขยายตวของคลนเสยง และถกสงผานตวกลาง เชน อากาศ ไปยงห เชน เสยงเปยโนเกดจากการสนสะเทอนของเสนลวดเมอเรากดบนคยเปยโน เสยงกลองเกดจากการสนสะเทอนของผวกลองเมอตดวยไม เสยงไวโอลนเกดจากการสนสะเทอนของสายไวโอลน เวลาทเราเคาะสอมเทยบเสยง(Tuning fork) จะเหนวาปลายสอมเทยบเสยงสนสะเทอนอยางรวดเรวทำาใหเกดเสยง เสยงขลยเกดจากการสนสะเทอนของอากาศภายในขลย เสยงทมาจากวทยเกดจากการสนสะเทอนของลำาโพงเสยง เสยงระฆงเกดจากการสนสะเทอนของตวระฆงเมอถกต เสยงเคาะประตเกดจากการสนสะเทอนของไมเมอถกเคาะ ฯลฯ เราจงกลาวไดวาเสยงเกดจากการสนสะเทอน และเราะจะไดยนเสยงกตอเมอการสนสะเทอนนนเดนทางมาถงหเรา

การเดนทางของเสยง เมอเสยงเดนทางผานโมเลกลของตวกลางของสารบางชนด โดยการสนสะเทอนของโมเลกลหนงถายทอดไปยงโมเลกลทอยถดออกไป วตถทออนนม เบา เชน สำาล ผา พรม ฯลฯ ไมเปนตวทำาใหเกดการสนสะเทอน ดงนน เสยงจงผานไมคอยได และมกจะเปนตวดดเสยง วตถบางชนด เชน เหลก นำา อากาศ เสยงเดนทางผานไดด แตเสยงไมผานสญญากาศ ดงททราบกนดอยแลว เพราะไมมโมเลกลของสารสำาหรบเปนตวพาเสยง ผดกบแสงทแสงสามารถเดนทางผานสญญากาศไดดแหลงกำาเนดเสยงแบงตามลกษณะของวตถตนกำาเนดได 3 ประเภท คอ

1. เกดจากการสนของสายหรอแทง ไดแก เครองสายตางๆ เชน ไวโอลน กตาร ซอ จะเข ขม สอมเสยง ฯลฯ

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 14

2. เกดจากการสนของผว เชน ระฆง ฉาบ ฉง กลอง ฯลฯ3. เกดจากการสนของลำาอากาศ ไดแก เครองเปาชนดตางๆ เชน นกหวด

ขลย ป แคน แซกโซโฟน ฯลฯลกษณะของคลนเสยง

คลนเสยงประกอบดวยสวนอดและสวนขยายของอนภาคของตวกลาง สวนอด(Compression) คอ สวนทอนภาคเคลอนทไปในทศทางเดยวกบคลนและมความดนมากกวาปกต สวนขยาย(Rarefraction) คอ สวนทอนภาค

เคลอนทตรงกนขามกบคลนและมความดนนอยกวาปกตความถของเสยง เนองจากเสยงเกดจากการสนสะเทอนของแหลงกำาเนด

ดงนน ความถของเสยง คอ ความถของการสนสะเทอนของแหลงกำาเนดความยาวของคลนเสยง คอ ระยะทางระหวางจดสองจดซงมเฟสเหมอนกน

บนคลนทอยตดกน เชน ระยะหางระหวางจดกงกลางของสวนอดทอยตดกน หรอระยะหางระหวางจดกงกลางของสวนขยายทอยตดกน

อตราเรวของคลนเสยงอตราเรวของคลนเสยง คอ ระยะทางทคลนเสยงเคลอนทไดในหนงหนวย

เวลา อตราเรวของเสยงขนอยกบสภาพของตวกลางทเสยงผาน เชน ความหนาแนนของตวกลาง อณหภมและความยดหยนของตวกลาง ถาความหนาแนนและอณหภมของตวกลางมาก อตราเรวของเสยงจะมคามาก เนองจากอาศยตวกลางถายทอดพลงงานจลนไดด หรอถาตวกลางมความยดหยนมาก อตราเรวเสยงจะมคามาก ในตวกลางเดยวกนอตราเรวของเสยงไมขนอยกบความถและความยาวคลน เมออณหภมเทากนเสยงจะเดนทางไดเรวในตวกลางทเปนของแขง ของเหลว และกาซ ตามลำาดบอตราเรวเสยงในตวกลาง

จากการทดลองทอณหภม 0 – 25 องศาเซลเซยส อตราเรวของเสยงมคาดงน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 15

ตวกลาง อตราเรวเสยงในตวกลางตางๆ (m/s)

0 °C 25 °Cอากาศ 331 345

ไฮโดรเจน 1,270 1,339

นำา 1,450 1,498

แกว 5,500 4,554

เหลก 5,100 5,200

สมบตของเสยงเนองจากคลนเสยงเปนคลนชนดหนง แสดงวา คลนเสยงจะสามารถม

สมบตทวไปของคลนได กลาวคอ มการสะทอนของเสยง การหกเหของเสยง การแทรกสอดของเสยง และการเลยวเบนของเสยง

1.การสะทอนของเสยงเรายอมทราบกนดอยแลววาแสงสะทอนจากวตถทเปนมน เชน จากกระจก

จากแผนโลหะ สงกะส เปนตน เสยงกเชนเดยวกน เราอาจเคยไดยนเสยงสะทอนเวลาตะโกนอยบนหนาผา ตามเฉลยงตกยาวๆ หรอในหอประชมขนาดใหญ หรอบอนำาลกๆ ฯลฯ การสะทอนของเสยงนอาจทำาใหสามารถวดระยะทางระหวางตวเรากบหนาผาได ถาเราจบเวลาตอนทเราตะโกนและตอนเสยงสะทอนเขามาถงหเราได

การสะทอนเสยงในหองแคบในอาคาร เรามกไมรสกเพราะการสะทอนเสยงเกดขนชวระยะเวลาอนสนมาก จนเสยงสะทอนกบเสยงเดนกลมกลนกนไป แตในหองทใหญมากๆ เชน หอประชม เสยงสะทอนจะกนเวลานานพอประมาณ จนทำาใหเราไดยนเสยงกองตามมา และทำาใหฟงการพดไมชดเจน

ระบบการปองกนเสยงทดนน ทำาไดโดยเสรมเสยงทพดใหชดขนในขณะเดยวกบทลดเสยงกอง หรอเสยงสะทอนลง การเสรมเสยงใหดงทำาไดโดยใชไมโครโฟน การละเสยงสะทอนทำาไดโดยบผนงและเพดานทหนาๆ ดวยวตถทดด

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 16

เสยงได โดยเฉพาะมกใชสารทเปนฉนวนความรอน เชน ผา พรม ใยหน แอสเบสตอส เปนตน สำาหรบหของของคนปกตจะแยกเสยงตะโกนและเสยงสะทอน เมอเสยงทงสองหางกนมากกวา 0.1 วนาทหรอเสยงกอง(Echo)

โซนาร(Sonar) เปนเครองมอทใชสำาหรบวดระยะทางโดยอาศยเสยงสะทอน ระบบโซนารคลายคลงกนกบเรดาร แตใชคลนเสยงแทนคลนวทย โซนารสรางขนเพอจะคนหาสงกดขวางทอยใกลเรอขณะทมหมอกลงจด โดยการสงเสยงทมความถสงมาก (หมนษยไมสามารถไดยน)จากเรอเปนระยะเวลาเทาๆกน แลวจบเวลาทเสยงสะทอนกลบมาถงเรอ เมอทราบความเรวของเสยงในอากาศกจะสามารถวดระยะหางของวตถนนจากเรอได วธนใชสำาหรบวดความลกของกนมหาสมทร และสำาหรบคนหาเรอดำานำา ซงใชกนมาในสมยสงครามโลกครงท 2

คางคาว ซงมองไมคอยเหนยงสามารถบนได ทงนเพราะมนใชระบบคลายกบโซนารเปนเครองนำาทาง โดยมนสงเสยงทมความถสงมากซงมนษยไมสามารถไดยน คางคาวจะสงคลนเสยงออกไปแลวรบฟงการสะทอนเสยงจากวตถทกดขวางอยรอบตวมน ถามสงกดขวางอยขางหนาจะสะทอนเสยงกลบมา มนกไมบนไปทางนน วธนแมแตคางคาวทตาบอดอาจจบแมลงทกำาลงบนเปนอาหารได คนตาบอดกอาศยเสยงสะทอนเสยงเหมอนกน โดยฟงจาการเคาะไมเทาตามทางทเดนไป และฟงเสยงสะทอนดวามเสยงผดแปลกไปบางหรอไม เพราะเสยงสะทอนจากถนนคอนกรต สนามหญา โคลน ไม ฯลฯ ยอมผดกน

ระบบการสะทอนนยงใชไดสำาหรบนกสำารวจนำามน โดยทำาใหเกดการระเบด แลวคอยฟงเสยงสะทอนจากชนหนทกกแองนำามน วดระยะเวลาทเสยงสะทอนกจะทราบไดวาชนหนอยใตดนลกลงไปเทาใด

2. การหกเหของเสยงปรากฎการณทางธรรมชาตอยางหนงททำาใหทราบวา คลนเสยงมการหกเห

ได คอ การเกดฟาแลบแตไมไดยนเสยงฟารอง เนองจาก การหกเหของคลนเสยงทเดนทางผานอากาศทมอณหภมแตกตางกน ทำาใหอากาศเหนอพนดนซงมอณหภมสงกวาและมความหนาแนนนอยกวา คลนเสยงจะหกเหกลบไปยงทองฟาเชนเดม ทำาใหเราไมสามารถไดยนเสยงฟารองแตจะเหนเพยงฟาแลบเทานน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 17

โดยปกต คลนเสยงจะหกเหขนสทองฟาในตอนกลางวนหรอตอนฝนใกลตก และจะเกดการหกเหลงสพนโลกในเวลากลางคน

a.ตอนกลางวนเสยงหกเหขนดานบนซงเยนกวา

b. ตอนกลางคนเสยงหกเหลงดานลางซงเยนกวา

3. การแทรกสอดของเสยงการแทรกสอดของเสยงเกดขนเมอ คลน

เสยงตงแต 2 แหลง ทมแอมพลจด และความถเทากน ซงมเฟสตรงกนหรอตางกนอยางคงตว(แหลงกำาเนดอาพนธ) เคลอนทมาพบกน แลวเกดการรวมกนของคลนเสยงขน การรวมกนเกดเปน 2 ลกษณะ สลบกนไป ดงน

1. การแทรกสอดแบบเสรมกน (construstive interference) → เกดเสยงดง→ ปฏบพ(Antinode ; A)

2. การเลยวเบนของเสยง (Destructive interference) → เกดเสยงเบา→ บพ(Node ; N) การแทรกสอดของคลนเสยงจากแหลงกำาเนดอาพนธ

คลนนงของเสยง(Standing Wave) ถามคลนสองชดใดๆ ทมแอมพลจด ความถ และความเรวเทากน ซงมเฟส

ตรงกน หรอตางกนอยางคงตว เคลอนทสวนทางกนในตวกลางเดยวกนแลว คลนรวมทไดจะเปนคลนนง

โดยลกษณะของการรวมตวกนของคลนนงจะเปนลกษณะของการเกดลป (Loop) ดงภาพของการสนของสายกตาร

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 18

บตส(Beat) ของเสยงบตสของเสยง เกดจากคลนเสยง 2 ชดใดๆ ทมความถตางกนไมมาก ทเกด

จากแหลงกำาเนดเสยงประเภทเดยวกน หรอคนละประเภทกน เคลอนทมาแทรกสอดกน ซงเสยงทมการรวมกนจะเปนเสยงทดงและคอยสลบกนไปเปนจงหวะ ดงภาพ

การรวมกนของเสยงททำาใหเกดบตส

กำาหนดให f1 และ f2 เปนความถของคลนเสยงจากแหลงกำาเนดสองแหลงทมความถตางกนไมเกน 7 เฮรต เมอเดนทางมาซอนทบกนแลวจะทำาใหเกดบตส

โดยท f แทนจำานวนครงของเสยงดงทไดยนในหนงวนาท เราเรยกวา ความถบตส (Beat Frequency)

จะไดความสมพนธดงสมการความแตกตางของความถบตสดงน ∆fB = |f1 - f2|

เงอนไข |∆|={ ∆;∆>0∆; ∆=0

−∆ ;∆<0

และ หาความสมพนธความถของคลนรวม จะไดfav = (f1 + f2)/2

เราสามารถนำาเอาหลกการของการเกดบตส มาใชในการเทยบเสยงของเครองดนตรใหมความถเทากบความถมาตรฐานของเสยงทตองการได เชน การตงสายกตาร โดยดดกตารและใหเสยงจากแหลงกำาเนดเสยงมาตรฐานพรอมๆกน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 19

ความถธรรมชาต(Natural Frequency)คอความถของการสนของวตถ ซงเกดขนจากการรบกวนวตถนน หรอการ

ใหพลงงานกบวตถนน ซงพลงงานทใหแกวตถจะทำาใหวตถเกดการสน และสนดวยความความถทเปนสมบตเฉพาะตวของตงเองเราเรยกวาความถธรรมชาต ตวอยางเชน ความถในการแกวงของลกตมนาฬกา ความถในการสนของเสนเชอก ความถของคลนนงในทอ กลาวไดวาความถธรรมชาตของวตถอนใดอนหนงอาจมเพยงคาเดยว หรออาจมหลายคากได ซงจะขนอยกบชนดของวตถและลกษณะของการสนหรอการแกวงอยางอสระของวตถนนเรโซแนนซ(Resonance)

เรโซแนนซ คอปรากฏการณทเกดขนเมอใสพลงงานใหกบวตถ จะทำาใหวตถสนดวยความถธรรมชาตถาความถของพลงงานทใหแกวตถมความถเทากบความถของการสนตามธรรมชาตของวตถนน เปนผลทำาใหวตถนนรบพลงงานรบพลงงานเขาไปไดดทสดจงทำาใหวตถนนสนดวยแอมปลจดทมากขน การสนจะรนแรงมากขนการสนพองของเสยง (Sound Resonance)

หมายถงการททำาใหอากาศทอยในกลองหรอในทอสนดวยความถธรรมชาต  อากาศกจะสนดวยแอมปลจดมากขนเรอยๆ ทำาใหเกดเสยงดงมากขนกวาปกต เราเรยกปรากฎการณนวา   การสนพองของเสยง“ ”  หรอการทเราใหความถเสยงทมคาเทากบความถธรรมชาตของวตถในชวงเวลาหนงกสามารถทำาใหวตถสนดวยแอมปลจดมากขนเรอยๆ จนอาจทำาใหวตถเสยหายได เชน นกรองเสยงโซบราโน สามารถออกเสยงจนทำาใหแกวแตกได(การเกดเรโซแนนซของเสยงในแกว นกรองเพลงทมเสยงสง ๆ เรยกวาเสยงโซปราโน จะมพลงงานของเสยงมากพอทจะทำาใหเกดเรโซแนนซกบการสนของลำาอากาศภายในแกวไวน จงทำาใหลำาอากาศภายในแกวไวนเกดการสนอยางรนแรง จนทำาใหแกวไวนแตกได)

ความเขมของเสยง (Sound Intensity)

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 20

a.แหลงกำาเนดเสยงใหคลนทรงกลมออกมารอบตว b. ระดบความเขมเสยงลดลงตามระยะทางทเพมขนความเขมเสยง หมายถง อตราพลงงานของคลนเสยงทไปกระทบตอหนง

หนวยพนท ทใชรบเสยงในแนวตงฉาก วดเปนวตต/ตารางเมตร I= P

A

ความดงของเสยงจะขนกบกำาลงเสยงจากแหลงกำาเนดและระยะทางจากแหลงกำาเนดเสยงไปยงผฟง นนคอ ขนอยกบความเขมเสยง ความเขมเสยงทระยะ R จากแหลงกำาเนดเสยงคำานวณไดจากสมการ

I= P4 πR2

จากสมการขางตนถาแหลงกำาเนดเสยงมกำาลง P คงตว สามารถสรปไดวาI∝ 1

R2

ความเขมเสยง ณ ตำาแหนงตางๆ จะลดลงเมอตำาแหนงนนๆ อยไกลจากแหลงกำาเนดเสยงมากขน

เมอ I แทน ความเขมเสยง มหนวยเปนวตตตอตารางเมตร w/m2

P แทน กำาลงเสยง มหนวยเปนวตต (w) R แทน ระยะทางจากแหลงกำาเนดเสยงมายงผฟง มหนวยเปน

เมตร

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 21

จากการทดลองเรอง การไดยนของหคนปกต พบวา เสยงคอยทมนษยปกตสามารถไดยนจะตองมความเขมเสยงทระดบ 10-12 w/m2 และเสยงทมนษยปกตสามารถทจะทนฟงได โดยไมเปนอนตรายตอห มความเขมเสยงประมาณ 1 วตตตอตารางเมตร

ในทางปฏบตทวๆ ไป นยมใช ระดบความเขมเสยง เปนตวบอกความดงของเสยง ซงถาทราบความเขมเสยงทจดใดจดหนง สามารถทจะหาระดบความเขมเสยงทจดนนๆ ได

ความเขมเสยงกบการไดยน การไดยนตองมองคประกอบ 3 ประการ คอ ตนกำาเนดเสยง ตวกลาง และประสาทรบเสยงในห โดยทวไปจะแยกออกเปนลกษณะตางๆดงน

1. ความรสกดง-คอยของเสยง ขนอยกบแอมพลจดของคลนและความเขมเสยง

2. ความรสกทม-แหลมของเสยง ขนอยกบความถของเสยง 3. ความไพเราะของเสยง ขนอยกบคณภาพเสยง

ระดบเสยง (Pitch) ระดบเสยง คอ ความรสกของผฟง เมอไดยนเสยงแลว สามารถบอกไดวา

เปนเสยงทม (Bass) หรอเสยงสง (Treble) ทงนจะขนอยกบความถ ดงนระดบเสยงตำา คอ เสยงทมความถตำา (เสยงทม)ระดบเสยงสง คอ เสยงทมความถสง (เสยงแหลม)

เชน การผนอกษร ผนวรรณยกต หรอ โนตดนตร เปนตนอกษรทมเสยงสง เชน ข, ฉ, ฐ..... อกษรทมเสยงกลาง เชน ก, จ, ฎ,........... อกษรทมเสยงตำา เชน ค, ฆ, ง,..........

เกรดความรความถของเสยงตำากวา 20 เฮรต เรยกวา คลนใตเสยง หรอ อนฟรา

ซาวด (infrasound)ความถของเสยงมากกวา 20,000 เฮรต เรยกวา คลนเหนอเสยง หรอ

อลตราซาวด (ultrasound)

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 22

เสยงดนตร เสยงธรรมดา เกดจากคลนเสยงทมความถไมสมำาเสมอ แตเสยงดนตรนน

ความถของคลนเสยงสมำาเสมอ คนสมยโบราณมเครองดนตรอยเพยงอยางเดยว คอ กลองเทานน แตในปจจบนนจะเหนไดวาเรามเครองดนตรหลากหลายชนด เครองดนตรทกชนดถาพจารณาดใหดจะพบวามอยสงหนงทเหมอนกน นนคอ การใชวตถ หรอสงยดหยนไดเพอใหเกดการสนสะเทอนไดงาย ในขณะทวตถเกดการสนสะเทอนดวยความถสมำาเสมอนน จะเกดเสยงทมระดบเสยง และคณภาพเสยงโดยเฉพาะทเดยว

เสยงดนตรนนมลกษณะทสำาคญอย 3 ประการ คอ ความดง(loudness) ขนอยกบความแรงของการถกกระทบของเครองดนตร หรอขนอยกบ แอมพลจดของคลนเสยงทเกดขน ระดบเสยง(pitch) ขนอยกบความถของการสนสะเทอนของดนตรแตละชน คณภาพเสยง ขนอยกบแบบแผนของคลนเสยง เครองมอชนดหนงทใชสำาหรบตรวจดแบบแผนของคลนเสยงไดแก ออสซโลสโคป (oscilloscope)ระดบของเสยงดนตรในทางวทยาศาสตร ใชเสยงทมความถ 256 Hz เปนมาตรฐาน ซงเรยกวา เสยง C กลาง การแบงระดบของเสยงดนตรทางวทยาศาสตรแบงไดดงน

โนตดนตร C D E F G A B C'โด เร ม ฟา ซอล ลา ท โด

ความถ (Hz) 256 288 320 341 384 427 480 512อตรสวนความถ

เทยบ (C)256256

288256

320256

341256

384256

427256

480256

512256

ระดบเสยงเทยบ (C)

1 98

54

43

32

53

158

2

ชวงเสยง 9/8 10/9 16/15 9/8 10/9 9/8 16/15

สำาหรบนกดนตรเขาใชเสยง A เปนมาตรฐานแทนเสยง C คอ ใชความถ 440 Hz เปนมาตรฐาน โดยแบงเสยง C, D, E, F, G, A, B มความถเปน 261.6 293.7 329.6 349.2 392 440 493.9

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 23

ชวงเสยง หมายถง อตราสวนเปรยบเทยบของความถระหวางโนต 2 โนตเสยงคแปด ของเสยงระดบใดๆ หมายถงเสยงท 8 ของเสยงนน เชน C กบ

C' โดย C' เปนเสยงท 8 ของ C เรยกวา C' เปนเสยงคแปดของ C ซงเสยงคแปดของเสยงระดบใดๆ จะมความถเปน 2 เทาของเสยงเดมเสมอ เชนความถของ C' = 2 เทาของความถของ C

เสยงสองชวงคแปด ของระดบเสยงใดๆ คอเสยงท 8 สองชวงของเสยงนน เชน C" เปนสองชวงเสยงคแปดของ C ความถของ C" เทากบ 2 เทาของความถของ C' และเทากบ 4 เทาของความถของ Cเสยงคน

จดไดวาเปนเสยงดนตรทดเยยมในบรรดาเครองดนตรทงหมด เสยงเกดจากอวยวะเสยง(vocal chord) ซงอยในหลอดเสยง แถวคอหอย เปนเยอซงจะทำาใหตงหรอหยอนโดยกลามเนอ เมออวยวะเสยงตงและสนสะเทอนอยางรวดเรวจะไดเสยงสง เมออวยวะเสยงหยอนและการสนสะเทอนชาเสยงจะตำา มนษยทกรปมเสยงไมเหมอนกน เพราะขนาดและความตงหยอนของอวยวะในหลอดเสยงไมเหมอนกน เดกมอวยวะเสยงเลก เสยงจงสง ชองลมทปากทำาหนาทเปนคอลมนอากาศในการทำาใหเกดการเสรมเสยง ซงจะชวยใหเสยงดงขน และเปลยนคณภาพของเสยง นอกจากนยงชวยใหแตละคนมเสยงเฉพาะตวอกดวย เราพดดวยเสยงตางๆกนโดยการ กระดกลน รมฝปาก แกม และอวยวะเสยง

ปรากฏการณดอปเพลอรของเสยง (Doppler Effect of Sound) ปรากฎการณดอปเพลอรของเสยง เปนปรากฎการณทความถหรอระดบ

เสยงทผสงเกตหรอผฟงไดยนนนเปลยนไปเมอ แหลงกำาเนดเสยง หรอผสงเกตอยางหนงอยางใดหรอทงสองอยางมการเคลอนท ถาแหลงกำาเนดเสยง“และ(หรอ)ตวเราเคลอนทเขาหากนเราจะไดยนเสยงทมความถสงขน นนคอ เสยงแหลมขน แตถาเคลอนทออกจากกน เสยงทไดยนนนจะมความถตำาลง นนคอ เสยงทมขน”

หรอ เปนปรากฎการณทผฟงไดยนเสยงทมความถเปลยนไปของแหลงกำาเนดเสยงอนหนง ซงมาจากการเคลอนทของแหลงกำาเนดเสยง หรอ การเคลอนทของผฟง โดยทการเคลอนทนนจะตองมความเรวนอยกวาความเรวเสยง

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 24

เราสามารถแบงปรากฏการณดอปเพลอรของเสยงเปนกรณๆไดดงนกรณท 1 แหลงกำาเนดเสยงและผฟงไมเคลอนท

กรณน ผฟงจะไดยนความถเสยงดวยความถทเทากบความถของแหลงกำาเนดคลนทแผออกมา

กรณท 2 แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทแตผฟงอยจดเดมแบงเปน 2 ลกษณะ1. แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทเขาหาผฟง2. แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทออกจากผฟง

กรณท 3 ผฟงเคลอนทแตแหลงกำาเนดเสยงหยดนง แบงเปน 2 ลกษณะ1. ผฟงเคลอนทเขาหาแหลงกำาเนดเสยง 2. ผฟงเคลอนทออกจากแหลงกำาเนดเสยง

ในทนขออธบายตงแต กรณท 2 เปนตนไป

กรณท 2 แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทแตผฟงอยจดเดมแบงเปน 2 ลกษณะ1. แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทเขาหาผฟง(ผสงเกตอยดานหนา ดง

ภาพขางลาง)ความยาวคลนจะนอยลง แตความถทปรากฏตอผฟงจะเพมขน

2. แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทออกจากผฟง(ผสงเกตอยดานหลง ดงภาพดานบน)

ความยาวคลนจะเพมขน แตความถทปรากฏตอผฟงจะนอยลง

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 25

กรณท 3 ผฟงเคลอนทแตแหลงกำาเนดเสยงหยดนงแบงเปน 2 ลกษณะ1. ผฟงเคลอนทเขาหาแหลงกำาเนดเสยง (ดงภาพดานลาง) ความถท

ปรากฏตอผฟงจะเพมขน

2. ผฟงเคลอนทออกจากแหลงกำาเนดเสยง(ดงภาพดานบน) ความถทปรากฎตอผฟงจะนอยลง

แบบฝกหดท 11. จงอธบายวาคลนเกดขนไดอยางไร2. จงอธบายเกยวกบการจดประเภทของคลน3. เมอมคลนผวนำาแผไปถงวตถทลอยอยทผวนำา วตถจะมการเคลอนทอยางไร4. คลนตามยาวและคลนตามขวางแตกตางกนอยางไร จงอธบาย5. นกเรยนจะนำาความรเกยวกบคลนและสมบตของคลนไปอธบายเกยวกบการเกดคลนสนามไดอยางไร6. จงอธบายความแตกตางระหวางปรากฏการณการแทรกสอดและการเลยวเบนของคลน7. จงอธบายถงการรวมกนไดของคลนหรอการซอนทบกนของคลนระหวางคลนทมแอมพลจดทศเดยวกนกบคลนทมแอมพลจดทศทางตรงกนขาม8. จงอธบายคำาวา ความถ 2 เฮรต9. จงอธบายคำาวา คาบ 2 วนาท10. จงอธบายความหมายของเฟสตรงกนและเฟสตางกนดวยภาพ

แบบฝกหดท 2โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 26

1. แหลงกำาเนดคลนสนดวยความถ 20 Hz เกดคลนมระยะหางของสนคลนลกทหนงถงลกทหาเปนระยะ 100 เซนตเมตร จงหา

a. ในเวลา 20 วนาท มคลนเคลอนทผานจดหนงบนตวกลางไดกลกคลนb. เวลาทอนภาคหนงบนผวตวกลางสนขนลงครบ 1 รอบc. อตราเรวของคลนมคาเทาใด

2. เชอกทยาวมากและสมำาเสมอเสนหนงถกขงตรง ถาเราสะบดปลายเชอกอกขางหนงขนลงอยางสมำาเสมอเปนเวลา 0.25 วนาท รปรางของเสนเชอกจะเปลยนแปลง ดงรป การกระจด

2 6 10 14 18 22

จงหา 1.ความยาวคลน2.อตราเรวของคลน3.ความถของคลน4.ความถทสะบดปลายเชอก

3. เชอกเสนหนงปลายขางหนงถกยดตดผนง อกปลายหนงถกสะบดเปนจงหวะสมำาเสมอใหเกดคลน 10 ลกคลน ในเวลา 5 วนาท ถาระยะหางของสนคลนทตดกนเปน 30 เซนตเมตร จงหา

a. ความถb. ความยาวคลนc. อตราเรวคลน

4. คลนขบวนหนงมระยะหางระหวางสนคลนเทากบ 2 เมตร เคลอนทดวยความเรว 10 เมตร/วนาท คลนนมาจากแหลงกำาเนดคลนทสนดวยความถเทาใด

แบบฝกหดท 31. เสยงเกดขนไดอยางไร2. อตราเรวของเสยงเปลยนแปลงอยางไรกบอณหภม3. ณ อณหภม 35 องศาเซลเซยส อตราเรวเสยงในอากาศจะมากกวา ณ อณหภม 30 องศา อยเทาใด

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 27

ตำาแหนง

4. ทำาไมเสยงจากแหลงกำาเนดเดยวกนจงเดนทางในเวลากลางคนไดไกลกวาในเวลากลางวน5. ทเรยกวาเสยงประสาน(Harmony) คอเสยงทมลกษณะอยางไร6. ลกษณะคลนเสยงเปนอยางไร7. ทำาไมเสยงจงเดนทางผานสญญากาศไมได8. ทำาไมเสยงจงเดนทางในของแขงไดดกวาในของเหลว และในของเหลวดกวาในกาซ9. เลขมค(Mach number) คออะไร10. จงอธบายความสมพนธระหวางความยาวคลน ความถ และความเรวของคลน11. หองทจดวาเปนระบบการปองกนเสยงสะทอนดนนเปนอยางไร12. ระดบเสยงกบความถของเสยงสมพนธกนอยางไร13. ขณะทรถไฟเปดหวดวงเขามาใกลตวเรา ทำาไมเราจงไดยนเสยงหวดรถไฟเสยงสงขน14. โซนาร คออะไร มประโยชนอยางไร15. เสยงดนตร ตางกบเสยงธรรมดาอยางไร16. การบนทกเสยงมหลกอยางไร เสยงไฮไฟ คออะไร เสยงสเตอรโอคออะไร17. ชวงความถของคลนเสยงทมนษยสามารถไดยนเปนเทาใด18. ปรากฏการณบตสของเสยงเปนปรากฏการณในเรองใดของเสยง19. ขณะทเกดฟารอง ปรากฏวากระจกหนาตางบานสน ปรากฏการณนเปนปรากฏการณเรองใดของเสยง20. เมอกรอกนำาใสขวดขณะระดบนำาสงขน ระดบเสยงทไดยนจะสงขน เพราะเหตใด

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 28

คลนแมเหลกไฟฟาคลนแมเหลกไฟฟา(Electromagnetic waves) เปนคลนทเคลอนทโดยไม

อาศยตวกลาง สามารถเคลอนทในสญญากาศได เชน คลนแสง คลนวทยและโทรทศน คลนไมโครเวฟ รงสเอกซ รงสแกมมาสเปคตรมของแสง

แสงเปนคลนแมเหลกไฟฟาอยางหนง ดงนน สเปกตรม (spectrum) คอ แถบรงสของคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนตางๆกน สเปกตรมทมองเหนไดคอแสง เมอแสงขาวผานปรซมจะเกดการหกเหเปนแสงสตางๆ ซงเรยกสเปกตรมตงแตความยาวคลนนอยไปหามากตามลำาดบ ดงน มวง คราม นำาเงน เขยว เหลอง แสด แดง

สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 29

จากการศกษายงพบวา คลนแมเหลกไฟฟาชวงความถตางๆ มลกษณะเฉพาะตว จงมชอเรยกตางกน เมอเรยงลำาดบจากความถตำาไปความถสงจะไดดงน คลนวทย ไมโครเวฟ รงสอนฟราเรด แสงทตามองเหน รงสอลตราไวโอเลต รงสเอกซ และรงสแกมมา คลนแมเหลกไฟฟาทกชวงทมความถทตอเนองกน รวมเรยกวา สเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา (electromagnetic spectrum)

ดงนน สเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา หมายถง คลนแมเหลกไฟฟาทมความตอเนองกนตงแตความถตำาสด ถง ความถสงสด จะพบวาสเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟามชอเรยกตางๆกนตามแหลงกำาเนดและวธการตรวจวด แตมคณสมบตทเหมอนกน คอ

1. คณสมบตการสะทอน, การหกเห, การแทรกสอด,การเลยวเบน และมสมบตเปนโพราไรเซชน

2. มความเรวเทากบความเรวแสง คอ 3 x 108 m/s 3. มพลงงานสงผานไปพรอมๆ กบคลน ซงพลงงานนจะขนอยกบความถ

และความยาว คลนโดยพจารณาในรปพลงงานโฟตอนกรณของคลนแสง  v คอ ความเรวแสง c = 3 x 108 เมตรตอวนาท ซง

เปนคาคงท ดงนน คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนสน จะมความถคลนสง คลนทมความยาวคลนยาวจะมความถตำา   คลนแมเหลกไฟฟาทกชนด ไมวาจะเปนคลนวทย ไมโครเวฟ อนฟราเรด อลตราไวโอเลต รงสเอกซ รงสแกมมา ฯลฯ เคลอนทดวยความเรวเทากนหมด คอ ความเรวแสง แมวาคลนแตละชนดดงกลาวจะมพลงงานไมเทากน

แสง (Light)แสงเปนพลงงานรปหนงในบรรดาพลงงานการแผรงส(Radiant

energy) ซงไดแก คลนวทย คลนแสง รงสอนฟราเรด รงสอลตราไวโอเลต รงสเอกซ รงสแกมมา รงสคอสมก ฯลฯ พลงงานการแผรงสเหลานเดนทางเปนคลนและเปนเสนตรงดวยความเรวคงท โดยปกตคลนเหลานเดนทางดวยความเรวเทากนในสญญากาศ(ประมาณ 186,000 ไมลตอวนาท หรอ 3 x 1010 เซนตเมตรตอวนาท) ผททำาการทดลองวดความเรวของแสงไดสำาเรจเปน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 30

คนแรกเปนนกวทยาศาสตรชาวอเมรกน ชอ Albert Michelson (ค.ศ. 1852-1931) ทำาการวดบนยอดเขาวลสน(Wilson)ในรฐแคลฟอรเนย

พลงงานการแผรงส เหลานรวมกนเขาเรยกวา คลนแมเหลกไฟฟา มลกษณะเปนคลนตามขวาง คอ เดนทางขนๆ ลงๆ ตงฉากกบทศทางทคลนเดนทางไป เหมอนกบเวลาเรากระตกปลายเชอกขนลง ระยะทางจากจดสงสด หรอตำาสดของคลนมาถงตรงกลางเรยกวา แอมพลจด(Amplitude) ระยะทางระหวางยอดคลนหนงถงยอดคลนหนงถดไปเรยกวา ความยาวคลน(Wave length) หรอเทากบ 1 ลกคลน จำานวนคลนทเดนทางไดใน 1 วนาท เรยกวา ความถ(Frequency) อตราเรวของคลนเทากบความถคณดวยความยาวคลน เชนเดยวกบทไดกลาวมาแลวในเรองคลนนำา คลนเสยง

ความยาวคลนของคลนแมเหลกไฟฟาจะมากหรอนอยขนอยกบความถ -คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนมากทสดจะมความถตำา

สด(สญญาณตำา)-คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนนอยสดจะมความถมาก

ทสด(สญญาณแรง) สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา แบงตามความถไดดงน

1.คลนวทย(Radio wave)2.คลนไมโครเวฟ(Microwave)3.รงสอนฟราเรด(Infrared ray)4.แสง(Light wave) หรอ (Visible light)5.รงสอลตราไวโอเลต(Ultraviolet)6.รงสเอกซ(X-ray)7.รงสแกมมา(Gamma ray)

1. คลนวทย(Radio wave)-เปนคลนทมความถในชวง 104 – 109 Hz-เปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนยาวทสดและมความถตำาสด -แบงการสงสญญาณคลนวทยได 2 ระบบ ไดแก ระบบ AM และระบบ

FM ระบบ AM (Amplitude modulation)

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 31

- ความถทสง 530-1600 kH ชวงกวางความถ 10 kHz- คลนวทย AM เดนทางได 2 ทาง คอ คลนดน (r = 80 km)

คลนฟา (สะทอนในชนไอโอโนสเฟยร)

ระบบ FM (Frequency modulation) - สงความถในชวง 88 – 108 MHz ชวงกวางความถ 150 kHz- ความถของระบบ FM มคาสงมากจงทะลผานชนไอโอโนสเฟยร

ออกไป จงไมสามารถใชคลนฟาได คลนวทย FM จงเดนทางระยะใกลๆ 2. คลนไมโครเวฟ(Microwave)

ไมโครเวฟ (microwave) เปนคลนความถวทยชนดหนงทมความถอยระหวาง 108 – 1012 Hz เปนคลนวทยทมความยาวคลนสนทสดและมความถสงทสด ไมสะทอนทบรรยากาศชนไอโอโนสเฟยร แตสะทอนผวโลหะไดด จงถกนำาไปใชในอปกรณทเรยกวา เรดาร ลกษณะของคลนวทยไมโครเวฟ ไดแก เดนทางเปนเสนตรง สามารถหกเหได (Refract) สามารถสะทอนได (Reflect) สามารถแตกกระจายได (Diffract) สามารถถกลดทอน(ดดกลนดวยนำา)เนองจากฝน (Attenuate) สามารถถกลดทอนเนองจากชนบรรยากาศ และไมทำาปฏกรยากบแผนฟลมถายรป3. รงสอนฟราเรด(Infrared ray)

แหลงกำาเนดของรงสอนฟราเรดนนกคอความรอนหรอการแผรงสความรอน จากวตถทมอณหภมสงกวาคา Absolute zero (- 273.15 องศาเซลเซยส หรอ 0 องศาเคลวน) จะมการแผรงสในยานอนฟราเรดออกมา แมแตนำาแขงทเยนเฉยบกยงแผรงสอนฟราเรดออกมาได  โดยวตถทรอนจะแผรงสออกมามากกวาวตถทเยน

- เปนคลนในชวงความถ 1011 – 1014 Hz - มความยาวคลนสนและมความถสงกวาคลนวทยและคลนไมโครเวฟ

ความยาวคลนอยระหวาง 10-13 – 10-16 m บางครงเรยกวา รงสความรอน- ทำาปฏกรยากบฟลมถายรปบางชนด ทะลผานเมฆหมอกทหนาได

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 32

- ควบคมระยะไกลโดยไมตองใชสายจากรโมทคอนโทรลแตใชสญญาณอนฟราเรด เชน รโมททว เครองยงบารโคทในหางสรรพสนคา เตาไฟฟา ถอเปนแหลงกำาเนดอนฟราเรด

4. แสง(Light wave) หรอ (Visible light)- เปนคลนแมเหลกไฟฟาในยานความถประมาณ 103 Hz หรอ

ความยาวคลนในชวง 14 x 10-7 – 7 x 10-7 เมตร- เปนคลนแมเหลกไฟฟาทมองเหนไดดวยตาเปลา มความยาวคลนสน

และมความถสงกวารงสอนฟราเรด- ความยาวคลนจากแสงขาวทยาวทสดของแสง คอ แสงสแดง และ

ความยาวคลนจากแสงขาวทสนทสดของแสงคอ แสงสมวง โดยเรยงลำาดบความถจากนอยไปมากได คอ แดง สม เหลอง เขยว นำาเงน คราม มวง (RAINBOW)

5. รงสอลตราไวโอเลต(Ultraviolet)- เปนคลนแมเหลกไฟฟาในชวงความถ 1015 – 1018 Hz เรยกรงสนวา

รงสเหนอมวง- มความยาวคลนสนกวาแสงทเรามองเหน ความถสงกวาแสง จง

ทำาใหมพลงงานมากกวา- เกดจากการแผรงสของดวงอาทตย ทำาใหอากาศบรเวณชนไอโอโน

สเฟยรแตกตวเปนอสระและเกดไอออนได - รงสมคาพลงงานสงพอทจะทำาลายหรอฆาเซลลทมชวตได สามารถ

ใชรงส UV ในการฆาเชอแบคทเรย- การไดรบ UV ใหแกรางกายในปรมาณทเหมาะสมจะชวยกระตนให

ผวหนงสรางวตามนด เสรมสรางกระดกและฟนใหแขงแรง การไดรบ UV แกรางกายในปรมาณมากเกนไปจะเปนสาเหตของมะเรงผวหนงได

6. รงสเอกซ(X-ray)- เปนคลนแมเหลกไฟฟาในชวงความถ 1016 – 1022 Hz หรอความยาว

ชวงคลน 10-8 – 10-12 m- มความยาวคลนสนมากและมความถสงกวารงส UV เลกนอย- เกดจากการทอเลกตรอนพลงงานสงวงเขาชนโลหะหนก

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 33

7. รงสแกมมา(Gamma ray) - เปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนสนกวาและมความถสงกวา

รงสเอกซ - เปนรงสทมพลงงานมากทสด ทะลผานสงกดขวางไดดกวา

คลนแมเหลกไฟฟาชนดอนๆ สวนใหญเกดจากสารกมมนตรงสบางชนดและเกดจากปฏกรยานวเคลยร

- รงสนทำาใหเกดอนตรายตอรางกายเราไดถาขาดการควบคม- รงสแกมมาสามารถใชฆาเซลลมะเรงได เรยกวา การบำาบดโดยการ

ฉายรงส (Radiotherapy or Radiation therapy) ประโยชนของคลนแมเหลกไฟฟา

คลนวทย- ใชในการตดตอสอสาร เชน วทย โทรทศน โทรศพท

คลนไมโครเวฟ- ใชในการหาตำาแหนง เชน เรดารสำาหรบตรวจจบวตถทเคลอนไหว

เตาไมโครเวฟ- ใชในการสงสญญาณ GPS ในรถยนต

คลนอนฟราเรด- ใชในการคนหาสตวปาในทมด- ใชในการถายภาพในชวงทมเมฆหมอกหนา ใชอบอาหารในเตาทใช

อนฟราเรด- ใชในอตสาหกรรมอบส ใชรกษาโรคผวหนงบางชนด ตลอดจนตรวจ

หาความผดปกตของเซลล รงสอลตราไวโอเลต

- การใช UV ในการฆาเชอโรค , ทำาความสะอาดเครองมอแพทย ใชใน อตสาหกรรมอาหาร โดยนำา UV มาชวยฆาเชอโรค ใช UV เพอรกษาอาการตวเหลองในทารก

รงสเอกซ

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 34

- ใช X-ray ตรวจสอบรอยราวของอปกรณสงกอสรางทางอตสาหกรรม ใชตรวจหาอาวธหรอวตถระเบด ใชตรวจอวยวะภายในรางกายและใชรกษาโรคมะเรง ใชในการศกษาการจดเรยงตวของอะตอมในผลก

รงสแกมมา- ใชแกมมาจาก Co-60 บำาบดรกษาโรคมะเรง และใชแกมมาจาก I-

131 เพอวนจฉยตอมไทรอยด- ใชในการตรวจสอบรอยรว และรอยราวของเครองใชททำาจากโลหะ- ใชในการเปลยนแปลงพนธกรรมพชและทำาหมนแมลง ตลอดจนรงส

แกมมายงชวยถนอมผลผลตทางการเกษตรใหไดนานขน

พลงงานนวเคลยร(Nuclear Energy)อะตอมประกอบดวยอเลกตรอนและนวเคลยส ในนวเคลยสจะประกอบดวย

อนภาคหลก คอ โปรตอนและนวตรอน อนภาคทงสองรวมกนอยเรยกวา นวคลออน (nucleon) ในเรองนจะการศกษาเกยวกบโครงสรางภายในของนวเคลยส การเปลยนแปลงของนวเคลยสตลอดจนสมบตตาง ๆ ของนวเคลยส กมมนตภาพรงส การสลายตวของสารกมมนตรงส ชนดของรงสทไดจากการสลายตว และปฏกรยานวเคลยร

วตถสงของทกสงทอยางในโลกน ไมวาจะเปนสงทมชวตหรอไมมชวตกตาม ถาใหนกเคมวนจฉยสงตางๆ เหลานน โลกของนกเคมจะมมมมอง 3 แบบ คอ

แบบท 1 macroscopic world (โลกทมองเหนดวยตาเปลา) เชน เหนนำาอยในถวย เหนผงถานอยบนพนเปนตน

แบบท 2 atomic world (โลกของอะตอม) เชน นำา 1 โมเลกลประกอบดวยไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซเจน 1 อะตอม

แบบท 3 symbolic world (โลกของสญลกษณ) เชน ใชสญลกษณ H2O แทนนำา

โลกทมองเหนไดดวยตาเปลาประกอบดวยโลกของอะตอมทมาอยรวมกนเปนจำานวนมหาศาล เนองจากโลกของอะตอมมขนาดเลกมากไมสามารถมองเหนไดดวยตาเปลา แตถาอยดวยกนเปนจำานวนมากจะสะสมกนมขนาดใหญขนจนเรามองเหนและสมผสไดเชน การมองเหนผงถานบนพนเกดจากอะตอมของธาต

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 35

คารบอน หรอการมองเหนนำาในถวย เกดจากโมเลกลนำาซงประกอบดวยไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซเจน 1 อะตอม มสญลกษณ H2O อยรวมกนเปนจำานวนมาก การทดลองทางเคมจะทำาในโลกทมองเหนดวยตาเปลา แตจะอธบายปรากฏการณตางๆทเกดขนหรอผลการทดลองดวยโลกของอะตอม และจะบนทกหรอสอสารกนดวยโลกของสญลกษณ ดงนนการเรยนในเรองฟสกสของนวเคลยรหรอแมแตกระทงวชาเคมจงตองเขาใจลกซงในโลกทงสามนปฏกรยานวเคลยร

ปฏกรยานวเคลยรสวนใหญจะเกดขนโดยการใหนวเคลยสหรออนภาคทมพลงงานสง เชน นวตรอน โปรตอน แอลฟา หรอรงสแกมมาวงชนนวเคลยสของอะตอมทเปนเปา ผลจากการชนจำาทำาใหเกดนวเคลยสของธาตใหม หรอนวเคลยสทถกชนเปลยนไปอยในสถานะถกกระตนแลวปลดปลอยรงสชนดหนงออกมา

สมมตถานวเคลยส X ถกยงดวยอนภาค a ทำาใหเกดนวเคลยส Y ซงปลอยอนภาค b ออกมาดวย สามารถเขยนสมการไดใน 2 รปแบบ คอ

a + X Y + b หรอ X(a,b)Yตวอยางปฏกรยานวเคลยรทปลดปลอยพลงงานออกมา ไดแก

ปฏกรยานวเคลยร

พลงงานทปลดปลอย(MeV)

ปฏกรยานวเคลยร

พลงงานทปลดปลอย(MeV)

2H (n,γ) 3H 6.257 9Be (p,α) 6Li

2.1322H (d,p) 3H 4.032 10B (p,α) 7Li 2.7936Li (p,α) 3H 4.016 10B (p,α)

7Be1.148

6Ll (d,p) 7Li 5.020 12C (n,γ) 13C

4.9487Li (p,n)

7Be-1.645 13C (p,n)

13N-3.003

7Li (p,α) 4He

17.337 14N (p,n) 14C

-0.6279Be (d,p)

10Be4.585 14N (n,γ)

15N10.833

9Be (n,γ) 10Be

6.810 18O (p,n) 18F

-2.453

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 36

9Be (γ,n) 8Be

-1.666 19F (p,α) 16O

8.124

พลงงานทปลดปลอยอาจมคาตดลบไดเนองจากเปนสวนของการเรงพลงงานจลนของอนภาคหรอรงสเรมตนเพอใชในการยงนวเคลยส

ปฏกรยานวเคลยรทเปนทรจกกนดโดยทวไปม 2 แบบ คอ1. ปฏกรยานวเคลยรฟสชน(Nuclear fission)

ถามวลของธาตทมขนาดใหญเกดการแตกออกทำาใหเกดธาตใหม 2 ชนด หรอมากกวาโดยทผลรวมของมวลของธาตใหมทเกดขนและอนภาคมคานอยกวามวลของธาตเดม มวลทหายไปน (ประมาณ 0.1 % ของมวลเดม) จะเกดการเปลยนไปอยในรปของพลงงานตามกฎของไอนสไตน(E = mc2) และปลดปลอยออกมา ปฏกรยานเรยกวา ปฏกรยานวเคลยรฟสชน ตวอยางของปฏกรยานทรจกกนด คอ นวเคลยรฟสชนของยเรเนยม-235 เมอนวตรอนวงอยางชาๆ เขาชนนวเคลยสของยเรเนยม-235 จะเกดการรวมตวเขาไว แตนวตรอนทวงเรวจะไมถกจบเขาไวในนวเคลยส สภาวะนไมเสถยรจงเกดการแตกตวออกมาเปนไอโซโทปของธาต 2 ชนด คอ Rb-90 และ Cs-143 และใหพลงงานออกมา พรอมทงอก 2-3 นวตรอน ดงภาพ

ซงปฏกรยานมกเกดขนอยางรวดเรวและตอเนองไปเรอยๆ แตเนองจากนวตรอนทเกดขนใหมนสามารถไปชนนวเคลยสของยเรเนยมอะตอมอนตอไป พลงงานทใหออกมาจะมปรมาณมากกวา 200 ลานเทาของพลงงานทใหแกนวตรอนในการกระตนครงแรก ถากระบวนการทเกดขนสามารถควบคมไดจะสามารถนำาไปใชประโยชนเปนพลงงานนวเคลยรเพอผลตกระแสไฟฟา แตถาไม

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 37

สามารถควบคมกระบวนการไดจะถกนำาไปใชเปนอาวธนวเคลยร ในการควบคมปฏกรยานวเคลยรฟสชนนทำาโดยการกำาจด 2-3 นวตรอนทปลอยออกมาดวยสารดดซบนวตรอน เชน แทงแกรไฟต เพอใหเหลอเพยง 1 นวตรอนเทานนทไปชนนวเคลยสอนตอไป2. ปฏกรยานวเคลยรฟวชน(Nuclear fusion)

ปฏกรยานเกดจากการบงคบใหอะตอมทมมวลเบา 2 อะตอมรวมตวเขาดวยกน เมอผลรวมของมวลอะตอมและอนภาคทเกดขนใหมลดลงจากเดมจะทำาใหเกดการปลดปลอยพลงงานออกมา ซงเปนไปตามกฎของไอนสไตน ตวอยางของปฏกรยาน ไดแก นวเคลยรฟวชนททำาใหเกดพลงงานมหาศาลบนพนผวของดวงอาทตยและดาวฤกษอนๆ ปฏกรยานวเคลยรฟวชนในระเบดปรมาณไฮโดรเจน ซงมไอโซโทปของไฮโดรเจน ดวเทอเรยม และตรเตยม รวมตวกนเกดเปนฮเลยมและนวตรอน ปฏกรยานปลอยพลงงาน 17.6 MeV โดยทวไปแลวปฏกรยาฟวชนไมสามารถควบคมได

ตวอยางอนของปฏกรยาน ไดแก ปฏกรยาฟวชนของดวเทอเรยมและดวเทอเรยม (D-D fusion) ซงเขยนสมการนวเคลยรไดดงน

H12 + H1

2 → He23 + n0

1 +3.27 MeV

H12 + H1

2 → H13 + H1

1 +4.03 MeV

แตปฏกรยาทนยมนำามาใชในการทดลองททำาไดงายกวา คอ ปฏกรยาฟวชนของดวเทอเรยมและตรเตยม (D-T fusion)

H12 + H1

3 → He24 + n0

1 +17.59MeV

ภาพแสดงปฏกรยานวเคลยรฟวชน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 38

ดวเทอเรยมนนสามารถทำาการแยกสกดออกมาไดเนองจากเปนไอโซโทปทมอยตามธรรมชาต แตในธรรมชาตไมมตรเตยมเนองจากตรเตยมมครงชวตเพยงแค 10 ป แหลงทใหตรเตยมจงทำาไดโดยการใหนวตรอนชนลเทยม-6 ดงปฏกรยา

Li36 + n0

1 → He24 + H1

3 +4.8 MeV

ถาใชนวตรอนทมความเรวสงขนเขาชนกบลเทยม-7 ซงมมากในธรรมชาตกสามารถทำาใหเกดตรเตยมไดเชนกน

Li37 + n0

1 (fast neutron )→ He24 + H1

3 + n01 (thermal neutron)

กมมนตภาพรงส(Radioactivity)ตามทนกเรยนไดเรยนมาแลววา อะตอมประกอบดวยอเลกตรอนและ

นวเคลยส ดงททราบวานวเคลยสประกอบดวยอนภาคพนฐาน 2 ชนด คอ โปรตอนและนวตรอน ซงรวมเรยกวา นวคลออน ไอโซโทปของอะตอมบางชนดหรอเรยกอกชอหนงวา นวไคลด(nuclei) มนวเคลยสทไมเสถยรซง นวเคลยสทไมเสถยรนจะเกดการสลายตวอยางตอเนองและใหกมมนตรงสออกมาเพอใหเกดเปนนวเคลยสทเสถยรกวานวเคลยสเดม การเปลยนแปลงทเกดขนในนวเคลยสนเรยกวา ปฏกรยานวเคลยร ซงจะใหพลงงานออกมาจำานวนมหาศาลเพอเทยบกบปฏกรยาเคมทวไป ดงทไดกลาวมาแลวในเรองของ ปฏกรยานวเคลยร

เนองจากนวเคลยสของธาตตางๆ ในธรรมชาตบางชนดเปน นวเคลยสเสถยร (stable nucleus) และบางชนดเปนนวเคลยสไมเสถยร (unstable nucleus) โดยนวเคลยสไมเสถยรน จะมการสลาย (decay) ปลอยอนภาคแอลฟา หรออนภาคเบตา หรอรงสแกมมา ออกมา ทำาใหโครงสรางของนวเคลยสเปลยนไป เกดเปนนวเคลยสของธาตใหม กระบวนการน เรยกวา การสลายกมมนตรงส (radioactive decay) การทนวเคลยสของธาตหนง เกดการสลายเปนนวเคลยสใหม เราเรยกนวเคลยสทเกดการสลายวา นวเคลยสตงตน (parent nucleus) นวเคลยสใหมทเกดจากการสลายตว เรยกวา นวเคลยสลก (daughter nucleus) นวเคลยสลกและรงสทปลอยออกมา เราเรยกวา ผลผลตการสลาย (decay products)

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 39

ตวอยางการสลายกมมนตรงส แบงได 3 ประเภทใหญ ดงน 1. การสลายตวใหรงสแอลฟา (Alpha Ray) เมอนวเคลยสของ

ฮเลยม (24 He ) ถกปลดปลอยออกมาจากนวเคลยสดวยพลงงานตางๆ กน และม

การเปลยนสภาพนวเคลยส โดยเลขมวลมจำานวนลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 ทำาใหไดนวเคลยสใหม สมการการสลายตวของสารกมมนตรงสทใหรงสแอลฟา เปนดงน

ZA X Z−2

A−4 Y + 24 He

ตวอยาง การสลายตวของนวเคลยสใหรงสแอลฟา

92238 U 90

234 Th + 24 He

ยเรเนยม-238 สลายตวใหธอเรยม-234 และอนภาคแอลฟา

หมายเหต :: การหาจำานวนอนภาคแอลฟาและเบตาจากการสลายของนวเคลยส หรอการรวมตวของนวเคลยส เพอใหเกดเปนนวเคลยสใหม จะมหลกวา 1. ผลรวมของเลขอะตอมกอนและหลงการสลายจะตองเทากน 2. ผลรวมของเลขมวลกอนและหลงการสลายจะตองเทากน

2. การสลายตวใหรงสเบตา แบงเปน 2 ประเภท คอ เบตาลบ (-) และ เบตาบวก (+) 2.1 การสลายตวให เบตาลบ (- หรอ −1

0 e) เกดจากการสลายนวตรอน 1 ตว ภายในนวเคลยสเปนโปรตอนและอเลกตรอน ทำาใหนวเคลยสใหมทเกดขน มเลขอะตอมเพมขน 1

สมการการสลายตวของสารกมมนตรงสทใหรงสเบตาลบ เปนดงน

ZA X Z +1

A Y + −10 e

ตวอยาง การสลายตวของนวเคลยสใหรงสเบตา

83210 Bi 84

210 Po + −10 e

บธมส-210 สลายตวใหโพโลเนยม-210 และรงสเบตาลบ

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 40

2.2 การสลายตวใหเบตาบวก (+ หรอ +10 e) เกดจากการทโปรตอน 1

ตว ภายในนวเคลยสเปลยนสภาพกลายเปนนวตรน 1 ตว ทำาใหนวเคลยสใหม มเลขอะตอมลดลง 1 สมการการสลายตวของสารกมมนตรงสทใหรงสเบตาบวก เปนดงน

ZA X Z−1

A Y + +10 e

ตวอยาง การสลายตวของนวเคลยสใหรงสเบตาบวก

814 O 7

14 N + +10 e

ออกซเจน-14 สลายตวใหไนโตรเจน-14 และรงสเบตาบวก

3. การสลายตวใหรงสแกมมา () ในการสลายกมมนตรงส มกมรงสแกมมาออกมาดวย ทงนเพราะ นวเคลยสจะมการเปลยนระดบพลงงานมาสระดบทตำากวา จงทำาใหมการแผรงสแกมมา ซงเปนคลนแมเหลกไฟฟาออกมา โดยไมมผลตอการเปลยนเลขมวลและเลขอะตอมแตอยางใด

สมการการสลายตวของสารกมมนตรงสทใหรงสแกมมา เปนดงน

ZA X Z

A X + ตวอยาง การสลายตวของนวเคลยสใหรงสแกมมารงสแกมมาเกดจากการเปลยนระดบพลงงานของนวเคลยส จากสภาวะ

กระตนไปสสภาวะพน ดงตวอยางการสลายตวของบธมส

83121 Bi → 81

208 Tl + 24 He ( 6.086 MeV )

…….…… (1) บางครงนวเคลยสของเทลเลยม จะอยในสภาวะกระตน ดงสมการจะได

83121 Bi → 81

208 Tl¿ + 24 He ( 5.614 MeV )

…………. (2)

จะเหนวาพลงงานจลนของอนภาคแอลฟามคานอยกวาเดมอย 0.472 MeV พลงงานจำานวนนจะถกเกบอยในนวเคลยสของแทลเลยม

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 41

ในเวลาตอมานวเคลยสนจะคายพลงงานจำานวนนออกมา และนวเคลยสกจะกลบมาสสภาวะพนพลงงานทคายออกมานเรยกวารงสแกมมา ดงสมการ

81208 Tl∗→ 81

208 Tℓ+γ ( 0.472 MeV ) (สภาวะกระตน) (สภาวะพน)

ตวอยาง จากสมการตอไปน X และ Y คอ อนภาคอะไร มสญลกษณอยางไร

94241 Pu (Plutonium ) 95

241 Am (Amerricium) + X

95241 Am ( Americium) 93

237 Np (Neptunium ) + Yวธทำา จากสมการ 1 เขยนใหมได

94241 Pu 95

241 Am+ ZA X

จากสมการ จะได 241 = 241 + A A = 0 และ 94 = 95 + Z

Z = -1 นนคอ Z

A X คอ −10 x ไดแก อนภาคเบตา−1

0 e นนเอง จากสมการ 2 เขยนใหมได

95241 Am 93

237 Np + ZA Y

จากสมการจะได 241 = 237 + A A = 4

และ 95 = 93 + Z Z = 2

ZA Y คอ 2

4 Y ไดแกอนภาคแอลฟา 24 He นนเอง

X คอ = −10 e และ Y คอ = 2

4 He

ตอบ

สมบตของรงส จากการศกษารงสทง 3 ชนดพบวา มสมบตทแตกตางกน 3 ประการ

ไดแก1. อำานาจทะลผาน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 42

2. ความสามารถในการทำาใหเกดการแตกตวเปนไอออน3. การเบยงเบนในสนามแมเหลก

→ ภาพแสดงอำานาจการทะลผาน

→ ความสามารถในการทำาใหเกดการแตกตวเปนไอออน เนองจากมวลของอนภาคแอลฟามขนาดใหญ รงสแอลฟา( ) ทำาใหสาร

เกดการแตกตวเปนไอออนในอากาศไดดทสด รงสแอลฟาจงเสยพลงงานอยางรวดเรว ทำาใหพสยการเดนทางเปนเพยงระ

ยะสนๆ รองลงมา คอ รงสบตา() และรงสแกมมา() ทำาใหสารเกดการแตกตวเปนไอออนไดนอยกวารงสแอลฟา ตามลำาดบ → การเบยงเบนในสนามแมเหลก

ภายใตสนามแมเหลก รงสแอลฟาและบตา ซงมประจ จะเคลอนเบยงออกไปหาขวลบ และขวบวกตามลำาดบ สวนรงสแกมมา ซงไมมประจ จะเคลอนตรงออกไปจากตนกำาเนดรงส

ครงชวตของสารกมมนตรงส(Half life)

ครงชวตของสารกมมนตรงส(Half life) หมายถง ระยะเวลาทสารกมมนตรงสสลายตวไปจนเหลอเพยงครงหนงของปรมาณเดม

ตวอยางเชน C-14 มครงชวต 5730 ป หมายความวา ถาม C-14 10

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 43

กรม เมอเวลาผานไป 5730 ป จะเหลอ C-14 อย 5 กรม และเมอเวลาผานไปอก 5730 ป จะเหลออย 2.5 กรม เปนดงนไปเรอยๆ กลาวไดวาทกๆ 5730 ป จะเหลอ C-14 เพยงครงหนงของปรมาณเดม

รทเทอรฟอรด และซอดด ไดตงสมมตฐานเพอใชอธบายการสลายของธาตกมมนตรงสไว 2 ขอ ดงน

1. ธาตกมมนตรงสจะสลายกลายเปนธาตใหมดวยการปลดปลอยอนภาคแอลฟา หรออนภาคเบตา ธาตใหมทไดจากการสลายนจะมสมบตทางเคมผดแผกไปจากธาตเดมและธาตใหมทเกดขนอาจเปนธาตกมมนตรงสหรอธาตทเสถยรกได

2. อตราการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสไมขนอยกบสภาพแวดลอมภายนอกนวเคลยส เชน อณหภม หรอความดน แตการสลายของนวเคลยสจะเปนไปตามหลกทางสถตเรองโอกาสและกระบวนการแบบสม โดยท อตราการสลายของนวเคลยสของธาตกมมนตรงสในขณะหนงจะแปรผนตรงกบ“

จำานวนนวเคลยสจำานวนนวเคลยสของธาตกมมนตรงสทมอยขณะนน”

โรงไฟฟานวเคลยรการผลตไฟฟาดวยพลงงานนวเคลยร

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 44

ปฏกรยานวเคลยรทำาใหเกดความรอน ใชตมนำาใหเดอดเปนไอ ไปหมนกงหนของเครองกำาเนดไฟฟา ทำาใหเกดกระแสไฟฟา

พลงงานทปลดปลอยออกมาจากปฏกรยานวเคลยร สามารถนำามาใชในการผลตไฟฟาไดเชนเดยวกบพลงงานความรอนจากการเผาไหมของนำามนหรอถานหน โดยใชตมนำาใหเดอดเปนไอ และใชความดนไอนำาในการขบกงหนของเครองกำาเนดไฟฟาเพอผลตกระแสไฟฟา

ยเรเนยม-235 เพยง 1 กรม ใหความรอนเทยบเทาถานหนชนด 3 ตนในโรงไฟฟานวเคลยร ขนาด 1,000 เมกะวตต มความสนเปลองยเรเนยมเขมขนแบบใชครงเดยว ประมาณ 30 ตนตอป  ถาใชถานลกไนตจะตองมปรมาณถง 6,000,000 ตนตอปการใชประโยชนจากพลงงานนวเคลยรในดานอนๆ

1. ดานการแพทย1.1 การบำาบดโรคดวยรงส (รงสจาก Co-60, I-131)1.2 การตรวจวนจฉยดวยรงส

- การหาบรเวณอดตนของเสนเลอด (Na-24) - ตรวจการแพรกระจายของมะเรงตอมนำาเหลอง (Ga-67)- ตรวจการทำางานของอวยวะตางๆ เชน กระดกสมอง ปอด มาม

ตบ หวใจ (Tc-99) 2. ดานอตสาหกรรม

- การควบคมกระบวนการผลต เชน ผลตกระดาษ กระจก แผนเหลก พลาสตก กระบวนการผลตยางรถยนต ใหมความสมำาเสมอ โดยวางสารกมมนตรงสไวดานหนงของวตถตวอยาง และอกดานหนงเปนหววดรงส เมอความหนาของวตถผดไปจากมาตรฐาน จะทำาใหปรมาณรงสทวดไดเปลยนแปลง

- การหารอยราว การรอยรวในทอ เชน การหารอยรวของทอสงนำามนทางทะเล การหารอยราวของเครองบน

- การปลอดเชอผลตภณฑทางการแพทย โดยการใชรงสฉายไปทอปกรณการแพทย เพอฆาเชอ เนองจากผลตภณฑหรออปกรณทางการแพทยสวนใหญมรปรางทซบซอน

- การเพมมลคาอญมณ โดยการใชรงสฉายไปทอญมณทไรส ใหมสทสวยงามขน

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 45

3. ดานการเกษตร-การทำาหมนแมลงดวยรงส เชน การทำาหมนแมลงวน การทำาหมน

แมลงหว ฯลฯ -การกลายพนธพชดวยรงส เชน การเปลยนสดอกพทธรกษา การ

เปลยนสดอกของตนกหลาบหน (ของมหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตบางเขน)

-การวจยเกยวกบอตราการดดซมปยของตนไม ถาใสปยทมเชน ฟอสฟอรส-32 ลงไปในดนบรเวณใกลๆ ตนไม ตนไมกจะดดซมเขาไปทใบ จะทำาใหทราบถงปรมาณปยทใบได นอกจากนนยงสามารถหาอตราการดดซมได และรงสแกมมายงชวยถนอมผลผลตทางการเกษตรใหไดนานขน

4. ดานการวจยทางวทยาศาสตร - การวเคราะหธาตปรมาณนอยและสารพษในสงแวดลอม - การศกษาอายของวตถโบราณ - การศกษาการเคลอนทของนำาใตดนและนำาผวดน - ศกษาแหลงพลงงานความรอนใตพภพ - ศกษาการสะสมการเคลอนทของตะกอนในเขอน แมนำา ลำาคลอง และแหลงนำาตางๆ - การใชรงสเพอการกำาจดนำาเสย

**สวนขอมลดานอนๆ เกยวกบพลงงานนวเคลยร ใหนกเรยนสรปยอจากพาวเวอรพอยททอาจารยไดบรรยายในชนเรยน

แบบฝกหดท 41. คลนแสงมลกษณะตางกบคลนเสยงอยางไร2. คลนแมเหลกไฟฟามลกษณะทสำาคญอยางไร3. เพราะเหตใดเราจงจดแสงเปนคลนแมเหลกไฟฟาชนดหนง4. เหตใดคลนแมเหลกไฟฟาจงตองมสเปกตรมของคลนเหลกไฟฟา5. คลนแมเหลกไฟฟาสามารถแสดงสมบตการสะทอน หกเห เลยวเบน และแทรกสอดไดหรอไม อยางไร6. แสงเดนทางผานสญญากาศไดหรอไม จงยกตวอยางโลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 46

7. นกเรยนทราบไดอยางไรวาคลนแมเหลกไฟฟาสามารถเดนทางผานสญญากาศได8. คลนแมเหลกไฟฟาทเราสามารถสมผสไดมอะไรบาง9. รงสอนฟราเรดเปนคลนทยาวหรอสนกวารงสอลตราไวโอเลต10. คลนวทย ยาวหรอสนกวาคลนเสงสวาง11. เตาไมโครเวฟทำาใหอาหารสกไดอยางไร12. รงสอนฟราเรดมประโยชนอยางไร13. รงสอลตราไวโอเลตมประโยชนและโทษอยางไรบาง14. รงสแกมมา รงสคอสมก คออะไร เกดขนไดอยางไร15. วตถทสะทอนแสงไดดมลกษณะอยางไร16. วตถทดดแสงไดดมลกษณะอยางไร17. จงอธบายการใชประโยชนจากคลนแมเหลกไฟฟาตามทนกเรยนสนใจมา 3 ตวอยาง

แบบฝกหดท 51. กมมนตภาพรงส คอ2. ธาตกมมนตรงส คอ3. ความสามารถในการทะลทะลวงผานของรงสใดดทสด4. ความสามารถในการทะลทะลวงผานของรงสใดตำาสด5. รงสใดทมความสามารถในการแตกตวเปนไอออน ไดดทสด6. จงอธบายความสามารถในการเบยงเบนในสนามแมเหลกของรงส แอลฟา เบตา แกมมา วาเปนอยางไรบาง7. จงบอกประโยชนของพลงงานนวเคลยรมาใหเขาใจ

7.1. ดานการแพทย7.2. ดานอตสาหกรรม7.3. ดานการเกษตร7.4. ดานการวจยทางวทยาศาสตร

8. ขอด และขอเสยของโรงไฟฟาพลงงานนวเคลยร8.1 ขอดของโรงไฟฟานวเคลยร คอ

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 47

8.2 ขอเสยของโรงไฟฟานวเคลยร คอ9. นกเรยนคดวาประเทศไทยควรมโรงไฟฟานวเคลยรหรอไมอยางไร

โลกของคลน ม.6 (สายศลป) หนา 48